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机械弹性储能箱结构及并网控制策略的优化方法

作者:中国储能网新闻中心 来源:电气新科技 发布时间:2020-01-30 浏览:
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国网山西省电力公司经济技术研究院、新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)、国网天津市电力公司电力科学研究院的研究人员郑晓明、米增强、余洋、贾雨龙、刘力卿,在2019年第22期《电工技术学报》上撰文指出(论文标题为“机械弹性储能箱结构及并网控制策略优化”),机械弹性储能(MEES)机组核心部件是机械弹性储能箱,提出了单体储能箱模块化-推拉式机械装配技术。

基于传统储能箱组“手拉手”机械结构,通过增加单向超越离合器使储能箱之间实现了柔性联动,且具有防反转自锁功能。建立了储能箱额定功率、储能容量配置数学模型,并根据其特殊运行特性曲线,提出一种适用于机组发电过程的永磁同步发电机转速自适应控制算法,同时提出一种网侧变流器反推鲁棒控制算法。

实验结果表明,所提方法能有效抑制机组参数扰动,永磁同步发电机能够快速响应、平稳运行,网侧变流器直流侧电压稳定并可以单位功率因数并网运行,发挥机组最大出力,有助于减小机侧变流器容量。

储能技术已成为构建智能电网和保障间歇式新能源入网的关键核心技术,主要分为物理储能和化学储能两大类,其中物理储能又分为机械储能和电磁储能,主要包括抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超级电容储能等。

机械弹性储能(Mechanical Elastic Energy Storage, MEES)属于物理储能的范畴,是一种新型储能技术,可用于复杂环境下短时间大功率储能场合,如地铁再生制动能量再利用装置、抽油机能量回收再利用装置、低温环境下车辆的启动电源等。

该储能方式储能介质为大型平面涡卷弹簧(Spiral Torsion Spring, STS),能量存储形式为机械弹性势能。研究对象包括STS材料的弹性模量、抗拉强度、抗疲劳等性能等;储能箱机械结构设计、机组装配、联动装置优化等;机组数学建模、永磁同步电机转速及变流器并网控制策略等。

MEES储能元件为STS,为了增大机组储能容量,提高可靠性,多个STS被封装于单体储能箱中,多个单体储能箱串联联动。单体储能箱机械组装结构与储能箱组机械联动结构的合理与否直接决定了机组性能。

有学者提出了一种“手拉手”储能箱组机械联动结构,理论上可以无限增加串联联动储能箱个数,极大提升了机组储能容量,但也存在一些问题,比如储能箱之间直接通过联轴器刚性连接、储能箱组额定功率及储能容量无法自由配置、无防止储能箱反向转动的自锁功能等。

为解决上述问题,本文提出一种新型联动式储能箱组机械结构,在保持原结构优点的基础上,提出了单体储能箱STS模块化-推拉式机械装配技术,储能箱之间通过单向超越离合器实现柔性串联联动和防反转自锁,设计了以STS标准件为基础的机组额定功率和储能容量配置方法,有效地提高了机组性能。

机械弹性储能箱组中的弹性势能能否高效转化为电能是机组的核心技术指标。永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)具有结构简单、效率高、运行可靠、维护量小的优点,选为机组能量转化执行机构。

为保证机组高质量的发电,PMSG控制策略需根据储能箱组运行特性进行优化设计。PMSG是一个强耦合、多变量的非线性系统,机械弹性储能箱组在机组发电过程中转矩和转动惯量持续变化,传统的矢量控制难以达到满意的控制效果。

反推控制算法是一种非线性控制方法,因其良好的控制效果、较强的适应能力越来越受到关注。

有学者将反推控制算法用于永磁同步电机直接转矩控制中,能有效减小磁链和转矩脉动。

有学者提出了一种自适应修正拉盖尔递归神经网络反推控制算法,用于永磁直线同步电机位置控制中,能明显减小位置误差。

有学者通过模糊控制器优化反推控制算法中的控制参数来改善系统的速度跟踪性能。从以上分析可以看出,目前反推控制理论大多集中于电机驱动领域,发电领域文献还相对较少。

有学者提出了一种基于反推滑模控制的最大风能跟踪控制算法,实现了转矩的快速跟踪,但转动惯量设定为定值。

有学者所提方法适用于动力源转矩和转动惯量持续变化的PMSG控制场合,但未考虑网侧变流器的并网控制,控制方案也稍显复杂。

本文结合反推控制和矢量控制提出一种转动惯量、转矩自适应PMSG转速控制策略,能有效抑制储能箱组参数扰动,保证了PMSG转速能够快速响应和稳定运行。同时为了改善机组并网性能,设计了机组并网反推控制算法,为实现储能机组最大出力,可设定并网无功功率为零,从而实现单位功率因数并网控制,能有效减小机侧变流器容量。

实验结果表明,此控制方法适用于机械弹性发电过程,有效提升机组性能,机组发电并网过程能够平稳高效运行。

图2 单体储能箱STS释放动作示意图

图5 控制系统整体框图

结论

本文针对传统机械弹性储能箱组机械结构存在的不足,提出了一种单体储能箱模块化-推拉式机械装配结构和储能箱组柔性联动防反转自锁结构,并根据发电过程中机组运行特性,提出一种基于反推控制算法的PMSG转矩转动惯量自适应调速控制策略,同时设计了网侧变流器反推控制策略。实验结果验证了同传统PI矢量控制相比,本文所提方法更适用于机械弹性储能机组发电过程,各控制变量响应迅速,跟踪精确。

高性能STS材料是机械弹性储能机组的基石,课题下一步将研究采用性能更好的玻璃纤维及碳纤维为STS材料,进行力学测试研究;设计并联联动式储能箱组机械结构,能极大提高机组发电功率;并设计性能更优的电气控制策略。

关键字:储能箱

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